專利名稱：溫控光脈沖參量放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種溫控光脈沖光學(xué)參量放大裝置。主要用來(lái)放大弱光信號(hào)的光強(qiáng)并保持放大信號(hào)穩(wěn)定。
在先技術(shù)中金石琦等發(fā)明人在專利申請(qǐng)CN1258016A中提供了一種光學(xué)參量放大裝置，如圖1所示，包括，最核心的元件為放大元件4，置于放大元件4的入射面γ之前有信號(hào)光源1和泵浦光源2，信號(hào)光源1和泵浦光源2連接有同一個(gè)同步控制器3。置于放大元件4的出射面c之后有第一探測(cè)器5和第二探測(cè)器6，第一探測(cè)器5和第二探測(cè)器6的輸出同時(shí)連接到數(shù)據(jù)處理顯示器7上。
信號(hào)光源1和泵浦光源2同是以激光器構(gòu)成的。泵浦光源2發(fā)射的泵浦光Gp的波長(zhǎng)λp小于信號(hào)光源1發(fā)射的信號(hào)光Gs的波長(zhǎng)λs，即λp＜λs。而泵浦光Gp的光強(qiáng)Ip必須大于信號(hào)光Gs的光強(qiáng)Is，即Ip＞Is。
泵浦光Gp和信號(hào)光Gs由同步控制器3控制，必須同時(shí)進(jìn)入到放大元件4內(nèi)。
上述結(jié)構(gòu)的放大裝置中由于構(gòu)成放大元件4的非線性晶體的耦合效應(yīng)，使(弱光)信號(hào)光束Gs得到放大。此放大裝置雖然簡(jiǎn)單而且放大倍率高，但放大信號(hào)不穩(wěn)定，使用起來(lái)較困難。
本發(fā)明的目的是提供一種既能將弱的脈沖激光信號(hào)的光強(qiáng)放大又能穩(wěn)定放大信號(hào)光并光脈沖寬度是經(jīng)過(guò)展寬的溫控光脈沖參量放大裝置。結(jié)構(gòu)將既簡(jiǎn)單，又容易操作。
本發(fā)明的放大裝置，如圖2所示，包括，最核心的元件是放大元件4，放大元件4是置于溫控器9中的致冷腔901內(nèi)。信號(hào)光源1和泵浦光源2由同一個(gè)同步控制器3控制。信號(hào)光源1與放大元件4之間的光路上置有展寬器8。信號(hào)光源1發(fā)射的光脈沖Gs經(jīng)過(guò)展寬器8后與泵浦光源2的光脈沖Gp兩者以光軸O1O1與O2O2之間的夾角α≠0同時(shí)通過(guò)溫控器9的入射窗口9010進(jìn)入到放大元件4的入射面γ上。置于放大元件4的出射面C和溫控器9中致冷腔901的出射窗口907之后有第一探測(cè)器5和第二探測(cè)器6，第一探測(cè)器5和第二探測(cè)器6的輸出同時(shí)連接到數(shù)據(jù)處理顯示器7上。
所說(shuō)的溫控器9含有帶入射窗口9010和出射窗口907的致冷腔901。致冷腔901的腔壁909內(nèi)分布有冷卻液的流液通道908，流液通道908有通到腔壁909外的進(jìn)液口904和出液口905。進(jìn)液口904上帶有進(jìn)液開(kāi)關(guān)903，進(jìn)液開(kāi)關(guān)903與帶有伸進(jìn)致冷腔901內(nèi)的測(cè)溫器906的溫控開(kāi)關(guān)902相連，如圖2、圖3所示。
所說(shuō)的致冷腔901內(nèi)的溫度變化是通過(guò)測(cè)溫器906隨時(shí)測(cè)得的溫度后通到溫控開(kāi)關(guān)902上，由溫控開(kāi)關(guān)902控制進(jìn)液開(kāi)關(guān)903的開(kāi)與關(guān)。也就是說(shuō)，當(dāng)測(cè)溫器906測(cè)到致冷腔901內(nèi)的溫度升高時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)902立刻將進(jìn)液開(kāi)關(guān)903打開(kāi)，冷卻液流經(jīng)分布在腔壁909內(nèi)的流液通道908，將致冷腔901內(nèi)的熱量帶走，開(kāi)始致冷。當(dāng)溫度降到所要求的溫度時(shí)，則溫控開(kāi)關(guān)902又將進(jìn)液開(kāi)關(guān)903關(guān)閉，停止制冷。致冷腔901內(nèi)始終處于恒溫狀態(tài)。所以使置于致冷腔901內(nèi)的放大元件4始終保持在恒溫狀態(tài)下。即使當(dāng)泵浦光束Gp和信號(hào)光束Gs同時(shí)通過(guò)致冷腔(901)的入射窗口(9010)射入放大元件4內(nèi)使放大元件4溫度升高，其熱量將會(huì)隨時(shí)被致冷腔901腔壁909內(nèi)液流通道908里的冷卻液帶走，從而使放大元件4始終保持在恒溫下，則溫度變化ΔT=0。上述致冷腔901中的腔壁909內(nèi)還可以置有半導(dǎo)體列陣元件為半導(dǎo)體致冷。
所說(shuō)的致冷腔901的入射窗口9010和出射窗口907是能夠同時(shí)透過(guò)信號(hào)光束Gs和泵浦光束Gp的鍍有增透膜的平面透鏡，或者是氣動(dòng)窗口。
所說(shuō)的展寬器8主要包括閃耀光柵801，凸面反射鏡802和凹面反射鏡803，如圖4所示。
所說(shuō)的放大元件4也是由非線性晶體構(gòu)成的。非線性晶體是雙軸晶體，如是磷酸鈦氧鉀晶體(KTP)，或是三硼酸鋰晶體(LBO)；或者是負(fù)單軸晶體，如是磷酸氘鉀晶體(KDP)，或是磷酸二氫銨晶體(ADP)，或是鈮酸鋰晶體(LiNO3)，或是β-偏硼酸鋇晶體(BBO)等；或者是正單軸晶體，如是鎘鍺砷晶體(CdGeAs2)等。
構(gòu)成信號(hào)光源1和泵浦光源2的激光器是固體激光器，或者是氣體激光器，或者是液體激光器。
第一探測(cè)器5和第二探測(cè)器6都是CCD二極管陣列探測(cè)器，或者是光電二極管，或是光電倍增管。
數(shù)據(jù)處理顯示器7是示波器，或者是計(jì)算機(jī)，或者是使用裝置。同步控制器3由延時(shí)器構(gòu)成。
本發(fā)明的放大裝置信號(hào)光束Gs的放大過(guò)程是已知的當(dāng)由同步控制器3控制的信號(hào)光源1發(fā)射的信號(hào)光束Gs經(jīng)展寬器8展寬后和泵浦光源2發(fā)射的泵浦光束Gp同時(shí)透過(guò)入射窗口9010入射到置于溫控器9中致冷腔901里的放大元件4內(nèi)，由于構(gòu)成放大元件4的非線性晶體的耦合效應(yīng)，使信號(hào)光束Gs放大，由放大元件4輸出的兩束光，一束光是被放大的信號(hào)光Gs，另一束光稱為空閑光Gi。信號(hào)光Gs在放大元件4內(nèi)的放大增益為G=1+(γL)2(sinh(B)B)2---(1)]]>L是作為放大元件4的晶體長(zhǎng)度。其中B=(γL)2-(ΔkL/2)2---(2)]]>其中放大系數(shù)γ為γ=4πdeffIp/2ϵonpnsnicλsλi---(3)]]>(2)式中Δk是相位失諧量，(3)式中deff是作為放大元件4的晶體的有效非線性系數(shù)，Ip為泵浦光束Gp強(qiáng)度，εo為真空介電常數(shù)，np為泵浦光束Gp的折射率，ns為信號(hào)光束Gs折射率，ni為空閑光Gi折射率，c為光速，λs為信號(hào)光束Gs波長(zhǎng)，λi為空閑光Gi波長(zhǎng)。
光在作為放大元件4的晶體中傳播時(shí)，折射率將隨溫度的變化而改變，由于溫度變化的結(jié)果導(dǎo)致信號(hào)光束Gs的頻率產(chǎn)生漂移Δω-={ω-p[∂np∂T-∂ns∂T]/[2∂ns∂ω-s+ω-p2(∂2np∂ω-p2)]}1/2ΔT1/2---(4)]]>式中Δω為信號(hào)光束Gs的變化圓頻率，ΔT為放大元件4的溫度變化數(shù)值，ωp為泵浦光束Gp的頻率，T為放大元件4的溫度，ωs為信號(hào)光束Gs的頻率。
由上述的(4)式可以看出溫度的變化對(duì)信號(hào)光束Gs的頻率變化Δω的影響是很明顯的，所以，若不采取措施使放大元件4的溫度保持不變，則經(jīng)放大元件4輸出的信號(hào)光束Gs顯然是不穩(wěn)定的。因此本發(fā)明的放大元件4置于溫控器9中致冷腔901內(nèi)，當(dāng)放大元件4的溫度變化時(shí)，由致冷腔901內(nèi)的測(cè)溫器906隨時(shí)測(cè)量出給溫控開(kāi)關(guān)902，由溫控開(kāi)關(guān)902控制進(jìn)液開(kāi)關(guān)903的開(kāi)與關(guān)，使放大元件4始終處于致冷腔901內(nèi)的恒溫狀態(tài)下，即溫度變化ΔT=0，由(4)式可知Δω=0。所以，經(jīng)過(guò)本發(fā)明的放大元件4輸出的放大后的信號(hào)光束Gs是穩(wěn)定的。
本發(fā)明的溫控光脈沖參量放大裝置的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的放大裝置的放大元件4是置于溫控器9中致冷腔901內(nèi)，使放大元件4始終處于最佳工作狀態(tài)的恒溫下，即ΔT=0。所以不僅保證經(jīng)過(guò)放大元件4放大后的信號(hào)光束Gs′的頻率保持不變，即Δω=0，而且使其放大倍率也比在先技術(shù)的放大倍率103高出二十幾個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到1028倍。而且本發(fā)明在信號(hào)光源1與放大元件4之間的光路上置有展寬器8，使得信號(hào)光源1發(fā)射的信號(hào)光束Gs的脈沖寬度得到展寬，所以經(jīng)過(guò)放大元件4放大后的信號(hào)光束Gs′已是脈沖寬度被展寬后的，這對(duì)后級(jí)應(yīng)用特別是對(duì)啁啾放大要求寬脈沖寬度是相當(dāng)有利的。


圖1是在先技術(shù)中，專利申請(qǐng)CN1258016A的光學(xué)參量放大裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的溫控光脈沖參量放大裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2中本發(fā)明放大裝置中溫控器9的A-A剖視圖。
圖4是圖2中本發(fā)明的溫控光脈沖參量放大裝置中展寬器8的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是實(shí)施例在本發(fā)明的光脈沖參量放大裝置中，當(dāng)放大元件4是雙軸晶體LBO，兩束光Gs、Gp入射到放大元件4入射面γ時(shí)，信號(hào)光束Gs經(jīng)放大元件4的增益與波數(shù)范圍關(guān)系的曲線圖。
實(shí)施例如圖2、圖3、圖4所示的裝置，信號(hào)光源1是用氬(Ar)離子氣體激光器泵浦固體鈦寶石激光器輸出波長(zhǎng)λs=1．064μm的信號(hào)光束Gs。泵浦光源2是釔鋁石榴石(YAG)固體激光器經(jīng)倍頻輸出波長(zhǎng)λp=532nm的泵浦光束Gp，同步控制器3用兩個(gè)脈沖延時(shí)器構(gòu)成。信號(hào)光源1發(fā)射的經(jīng)過(guò)展寬器8展寬后的信號(hào)光束Gs與泵浦光束Gp同步射入放大元件4中，泵浦光束Gp光強(qiáng)Ip=3GMW／cm2，放大元件4是雙軸LBO非線性晶體(長(zhǎng)度L=13．5mm)，信號(hào)光束Gs與泵浦光束Gp的兩光軸O1O1和O2O2之間夾角α=0．005rad。放大元件4即雙軸非線性晶體LBO切割時(shí)，保證信號(hào)光束Gs在非線性晶體LBO中傳播時(shí)與其中一光軸夾角為θ=0．190rad。溫控器9中流經(jīng)腔壁909內(nèi)液流通道908內(nèi)的冷卻液為水。致冷腔901的入射窗口9010和出射窗口907是鍍有對(duì)信號(hào)光束Gs的波長(zhǎng)λs=1．064μm和對(duì)泵浦光束Gp的波長(zhǎng)λp=532nm均能透過(guò)的二氧化鉿增透膜的石英平面透鏡。信號(hào)光束Gs能量Es=200pJ，放大系數(shù)γ=2．5231×103，增益G=1．8×1028，放大后的信號(hào)光束Gs′的能量Es′=3．6×1021J。信號(hào)光束Gs經(jīng)展寬器8后脈沖寬度由50fs展寬為200ps。放大后的信號(hào)光束Gs′可達(dá)到原來(lái)信號(hào)光束Gs的1028倍。
權(quán)利要求
1．一種溫控光脈沖參量放大裝置包括在核心放大元件(4)的入射面(γ)之前置有由同一同步控制器(3)控制的泵浦光源(2)和信號(hào)光源(1)，泵浦光源(2)發(fā)射的泵浦光束(Gp)的波長(zhǎng)λp小于信號(hào)光源(1)發(fā)射的信號(hào)光束(Gs)的波長(zhǎng)λs，而泵浦光束(Gp)的光強(qiáng)Ip大于信號(hào)光束(Gs)的光強(qiáng)Is；同時(shí)泵浦光束(Gp)和信號(hào)光束(Gs)在同時(shí)入射到放大元件(4)的入射面(γ)時(shí)兩光軸(O1O1，O2O2)有夾角α≠0；在放大元件(4)的出射面(C)之后置有同時(shí)連接到數(shù)據(jù)處理顯示器(7)上的第一探測(cè)器(5)和第二探測(cè)器(6)，其特征在于放大元件(4)是置于溫控器(9)中的致冷腔(901)內(nèi)；在信號(hào)光源(1)與放大元件(4)之間的光路上置有展寬器(8)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控光脈沖參量放大裝置，其特征在于所說(shuō)的溫控器(9)含有帶入射窗口(9010)和出射窗口(907)的致冷腔(901)，致冷腔(901)的腔壁(909)內(nèi)分布有冷卻液的流液通道(908)，流液通道(908)有通到腔壁(909)外的進(jìn)液口(904)和出液口(905)，進(jìn)液口(904)上帶有進(jìn)液開(kāi)關(guān)(903)，進(jìn)液開(kāi)關(guān)(903)與帶有伸進(jìn)致冷腔(901)內(nèi)的測(cè)溫器(906)的溫控開(kāi)關(guān)(902)相連。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫控光脈沖參量放大裝置，其特征在于所說(shuō)的置于信號(hào)光源(1)與放大元件(4)之間光路上的展寬器(8)主要包含閃耀光柵(801)，凸面反射鏡(802)和凹面反射鏡(803)。
全文摘要
一種溫控光脈沖參量放大裝置。包括置于溫控器中致冷腔內(nèi)的放大元件,信號(hào)光束與波長(zhǎng)比它短、光強(qiáng)比它強(qiáng)的泵浦光束同時(shí)透過(guò)致冷腔的入射窗口射入到放大元件內(nèi)。由于放大元件始終處于致冷腔內(nèi)的恒溫狀態(tài)下,溫度變化為ΔT=0,所以,經(jīng)過(guò)放大元件放大后的信號(hào)光束頻率變化Δω=0。同時(shí)在信號(hào)光源與放大元件之間的光路上置有展寬器,所以最后獲得的是脈沖寬度被展寬的、穩(wěn)定的放大10
文檔編號(hào)G02F1/39GK1278608SQ0011955
公開(kāi)日2001年1月3日 申請(qǐng)日期2000年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月3日
發(fā)明者金石琦, 徐至展 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所